用于测量在机器元件上的力或力矩的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应测量在沿轴线延伸的机器元件上的力和/或力矩的装置。此外，本发明涉及一种用于测量力和/或力矩的方法，其中力或力矩作用到沿轴线延伸的机器元件上。
【背景技术】
[0002]DE 698 38 904 T2示出在承受扭矩的轴上的磁弹性的有效的区域中具有圆形的磁化部的扭矩传感器。借助于霍尔效应传感器，在磁弹性的有效的区域的近处测量磁场。
[0003]由DE 600 08 543 T2中已知一种变换元件，所述变换元件设为用于使用在扭矩传感器或力传感器中。变换元件一件式地位于由能磁化的材料构成的轴中并且具有沿轴向方向定向的磁化部。
[0004]DE 600 07 641 T2示出一种变换元件，所述变换元件设置为用于扭矩或力传感器变换器。在所述变换元件中，磁化部在径向内侧的部分中和在径向外侧的部分中构成。
[0005]从DE 603 09 678 T2中已知一种用于检测在轴中的扭矩的方法，其中产生具有交变的极性的磁场，借助于传感器装置测量所述磁场。
[0006]DE 601 05 794 T2示出一种具有由磁性材料构成的体部的对力敏感的变换元件，其中在体部中构成至少两个磁化的区域，所述区域相对于力传递方向成角度地延伸并且具有相反的磁化极性。
[0007]DE 699 36 138 T2示出一种磁性力传感器，其中磁化的材料承受弯矩，其中能够借助于传感器装置确定磁化的材料的外部磁场。
[0008]W0 2011/085400 A1示出一种磁弹性的力传感器，借助于所述力传感器能够测量元件的机械负荷。
【发明内容】
[0009]以现有技术为基础，本发明的目的在于，扩展用于通过利用逆磁致伸缩效应测量力和力矩的可能性。
[0010]所述目的通过根据所附的权利要求1的装置来实现。所述目的还通过根据所附的并列的权利要求5的装置以及通过根据所附的并列的权利要求9和10的方法实现。
[0011]用于测量沿轴线延伸的机器元件上的力和/或力矩的装置是本发明的第一个主题。力或力矩作用到机器元件上，由此造成机械应力并且机器元件通常略微变形。机器元件具有永久磁化部。永久磁化部沿轴线定向，由此机器元件和永久磁化部彼此同轴地设置。永久磁化部的相反的磁极能够通过平行于轴线的直线连接。所述装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器与机器元件相对地设置。磁场传感器用于确定磁场并且用于测量来自机器元件的磁场的至少一个矢量分量，所述磁场一方面通过永久磁化部并且另一方面通过力和/或力矩引起。在优选的实施方式的第一类型中，所述矢量分量不是通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的沿机器元件的和永久磁化部的轴线或平行于所述轴线定向的分量。在优选的实施方式的第二类型中，所述矢量分量是通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的沿机器元件的和永久磁化部的轴线或平行于所述轴线定向的分量。借助于磁场传感器能够测量由于逆磁致伸缩效应基于永久磁化部并且由于作用到机器元件上的力或作用到机器元件上的力矩而产生的磁场。根据由磁场传感器测量出的来自机器元件的、通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的矢量分量和根据磁场传感器与机器元件对置的设置方式能够测量沿特定的方向的力和/或力矩。
[0012]在最简单的情况下，永久磁化部的磁极直接沿轴线放置。在最简单的情况下，也仅构成两个磁极，即永久磁化部的北极和南极。然而优选地，永久磁化部以环周的部段构成。所述部段沿着围绕轴线的环周构成。优选地，变换永久磁化部在部段之间的极性，使得永久磁化部的北极和南极沿着围绕轴线的环周彼此交替。单个环周的部段的永久磁化部能够视作单磁化部，其中所有的单磁化部也分别沿轴线定向。在围绕轴线的环周上，在永久磁化部的环周的部段之间也能够分别存在未被磁化的环周的部段。环周的交替地构成的永久磁化部允许磁场变化的准确的测量，其中由于磁致伸缩效应通过在机器元件上的力和/或力矩引起磁场变化。
[0013]永久磁化部的环周的部段优选具有关于轴线的相同的中心角。永久磁化部的环周的部段也具有相同的轴向长度并且沿轴线彼此齐平地设置。由此，永久磁化部的环周的部段优选具有相同的大小。此外，永久磁化部的环周的部段优选沿着围绕轴线的环周均匀地分布ο
[0014]优选地，构成永久磁化部的两个至十个环周的部段。特别优选地，构成永久磁化部的四个环周的部段。
[0015]在根据本发明的第一主题的装置的优选的实施方式中，永久磁化部仅沿轴线定向。因此，永久磁化部不具有不沿轴线或不平行于轴线的方向分量。由此排除，永久磁化部例如相对于轴线倾斜地设置。
[0016]在根据本发明的第一主题的装置的第一组优选的实施方式中，一个或多个磁场传感器构成为，用于测量通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的沿切向于轴线的方向定向的分量。因此，一个或多个磁场传感器测量通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的围绕轴线环周地延伸的分量。在此，一个或多个磁场传感器优选构成为用于仅测量通过永久磁化部以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的沿切向于轴线的方向定向的分量。在此情况下，不能通过一个或多个磁场传感器测量所述磁场的其他分量。
[0017]机器元件优选能够被沿轴线定向的扭矩加载并且必要时也是可变形的，其中通过永久磁化部以及通过扭矩引起的磁场的沿切向于轴线的方向定向的分量是通过扭矩引起的机械应力的尺度。因此，借助于用于测量通过永久磁化部以及通过扭矩引起的磁场的沿切向于轴线定向的分量的一个或多个磁场传感器，扭矩的测量是可能的。沿轴线定向的扭矩具有旋转轴线，所述旋转轴线与机器元件的轴线重叠或至少平行于所述轴线。所述扭矩尤其造成机器元件的扭转。机器元件优选能够通过沿轴线定向的扭矩弹性变形。
[0018]在根据本发明的第一主题的装置的提到的第一组优选的实施方式中，优选存在四个磁场传感器，所述磁场传感器以距轴线相同的间距围绕轴线均匀分布地设置。因此，四个磁场传感器成对地关于轴线具有彼此间90°的中心角。在此，磁场传感器优选共同地位于垂直于轴线定向的平面中。以相同的方式构成永久磁化部的四个环周的部段，所述部段围绕轴线均匀地分布。因此，永久磁化部的四个环周的部段和四个磁场传感器相对置。在此，四个磁场传感器中的相对置的两个磁场传感器优选在信号方面相加地连接在一起，由此在通过磁场传感器测量时消除在机器元件上的其他扭矩和力的、尤其横向力的影响和由此得到的磁场的影响。由此，限制沿轴线定向的扭矩的测量。
[0019]在根据本发明的第一主题的装置的第一组优选的实施方式中的实施方式中，机器元件替选地优选能够被垂直于轴线定向的横向力加载并且必要时是可变形的，其中通过永久磁化部以及通过横向力引起的磁场的沿切向于轴线的方向定向的分量是通过横向力引起的机械应力的尺度。因此借助于一个或多个磁场传感器能够通过确定磁场的沿切向于轴线的方向定向的分量来